一種新的光多播信令機制及性能仿真

蔣春蕾

（西昌學院 汽車與電子工程學院，四川 西昌615013）

一種新的光多播信令機制及性能仿真

蔣春蕾

（西昌學院 汽車與電子工程學院，四川 西昌615013）

為了解決R SVP-TE信令機制在建立光多播連接時的波長預留沖突問題，提出了一種基于兩次信令握手的新的光多播信令機制，給出了該信令機制的波長和路由分配過程。通過仿真實驗，結(jié)果表明：在相同的網(wǎng)絡負載下，新的光多播信令機制可以有效減少網(wǎng)絡中波長轉(zhuǎn)換器的使用數(shù)量，降低光多播連接的網(wǎng)絡阻塞率。

光多播信令機制；R SVP-TE；波長預留沖突；性能仿真

0 引言

隨著高質(zhì)量的視頻會議、視頻點播以及多點協(xié)同計算等業(yè)務的大量應用，光多播業(yè)務連接的路由和波長分配問題已成為光網(wǎng)絡研究的熱點[1]。目前，在光多播業(yè)務的路由和波長分配中，廣泛基于GMPLS（General Multi-Protocol Label Switching,GMPLS）的RSVPTE（Resource Reservation Protocol-Traffic Engineering, RSVP-TE）協(xié)議[2]，采用逐跳信令的方式完成從目的節(jié)點到源節(jié)點的波長和路由配置。在這種方式中，每個目的節(jié)點只能掌握源節(jié)點到自身的波長使用情況，無法了解源節(jié)點到其它目的節(jié)點的波長使用情況，導致光多播業(yè)務無法獲得最優(yōu)的波長分配方案。為此，本文提出一種新的光多播信令機制，以最少的波長轉(zhuǎn)換器為代價，獲得光多播業(yè)務的最優(yōu)波長分配方案，大大提高光多播業(yè)務的連通性能。

1 RSVP-TE機制的預留沖突問題

在點到點的業(yè)務連接中，RSVP-TE信令機制采用逐跳的方式實現(xiàn)路由和波長的分配[3]。具體實現(xiàn)過程為：①源節(jié)點計算光路的顯性路由，并封裝在Path消息的顯性路由對象ERO（Explicit Rout Object,ERO）中，通過Path消息的標簽集對象LS（Label Set Object, LS）記錄路由上的可用波長信息，并隨Path消息傳到下一個節(jié)點。②在下一節(jié)點，將LS更新為原LS與下一跳上的空閑波長集的交集；重復該步驟，直到Path消息到達目的節(jié)點。③目的節(jié)點收到Path消息后，選擇LS中編號最小的波長作為工作波長，配置光交叉點的波長，將選擇的工作波長信息寫入Resv消息并向上游節(jié)點發(fā)送，直到Resv消息到達源節(jié)點。④當源節(jié)點配置完光交叉點的波長后，即完成整個光路的建立。

為了適應光多播業(yè)務的連接，RFC4875對RSVPTE協(xié)議的Path消息進行了擴展，新增了支持點到多點的連接建立的次級顯性路由對象SERO[4]（P2MP Secondary Explicit Rout Object,SERO），用于記錄光多播樹上的分支路徑的路由信息。擴展后的RSVP-TE協(xié)議雖然解決了光多播業(yè)務的連接建立問題，但是在本質(zhì)上仍采用后向預留機制，這種機制將會在路由上的分叉節(jié)點處發(fā)生波長預留沖突，從而導致光路建立失敗，例如圖1給出了一個波長預留沖突的例子。在圖1中，假設(shè)交叉節(jié)點B沒有配置波長轉(zhuǎn)換器，不具備波長轉(zhuǎn)換功能，各路徑上標注的數(shù)字集合表示該路由上的空閑波長集。在交叉節(jié)點B處，LS更新為節(jié)點B接收到的LS與兩個分支路由上的空閑波長集的交集，源節(jié)點C接收到的LS為｛1,2｝，選擇LS中編號最小的波長1作為工作波長，通過Resv消息返回節(jié)點B；源節(jié)點E收到的LS為｛2｝，選擇波長2作為工作波長，通過Resv消息返回節(jié)點B。由于節(jié)點B沒有波長轉(zhuǎn)換功能，在節(jié)點B處就會發(fā)生波長預留沖突問題，造成此次光多播連接建立失敗。

圖1 光多播連接建立中的波長預留沖突現(xiàn)象

為了解決RSVP-TE信令機制的波長預留沖突問題，常用的方法是在光網(wǎng)絡的交叉節(jié)點處部署波長轉(zhuǎn)換器，通過波長轉(zhuǎn)換實現(xiàn)光多播連接的建立。但是，在光網(wǎng)絡工程建設(shè)中，為了減少建設(shè)成本，光網(wǎng)絡中部署的波長轉(zhuǎn)換器數(shù)量有限，因此，減少波長轉(zhuǎn)換器的使用數(shù)量，提高其使用效率，對降低建設(shè)成本、提高光多播連接建立的成功率具有非常重要的意義。

2 新的光多播信令機制

為了有效解決RSVP-TE信令機制在光多播連接建立中的波長預留沖突問題，提高光多播連接建立的成功率，本文在RSVP-TE信令機制的基礎(chǔ)上提出了一種新的光多播信令機制。在本新信令機制中，當Path消息到達各個目的節(jié)點后，各目的節(jié)點返回每種可能的波長分配方案，并通過Notify消息告知源節(jié)點；由源節(jié)點綜合各目的節(jié)點的波長分配方案，選擇最優(yōu)的波長分配方案，并將波長分配方案再次通過Path消息向各個目的節(jié)點傳遞，各目的節(jié)點收到該Path消息后，再次返回一個Resv消息，完成光網(wǎng)絡中交叉節(jié)點的波長配置，最終建立整個光網(wǎng)絡的光多播連接。新信令機制的信息流程如圖2所示。

圖2 新信令機制的信息流程

新信令機制中的Notify消息在RSVP-TE機制的標準Notify消息基礎(chǔ)上，新增了兩個對象：波長轉(zhuǎn)換計數(shù)器WTC（Wavelength Transforming counter,WTC）和可用波長對象PWO （Practicable Wavelength Object, PWO）。WTC用來統(tǒng)計在每種可能的波長分配方案下需要進行波長轉(zhuǎn)換的次數(shù)，PWO用來表示在該鏈路中可用的波長分配方案。具體的路由和波長分配過程如下。

第一步，源節(jié)點發(fā)送Path消息，搜集路由上的可用波長，分兩種情況：①若多播光網(wǎng)絡中的節(jié)點沒有空閑的波長轉(zhuǎn)換器或者沒有配置波長轉(zhuǎn)換器，則該節(jié)點向下一跳發(fā)送Path消息的LS更新為該節(jié)點收到的LS與該節(jié)點下一跳的所有分支鏈路上的空閑波長集的交集。②若多播光網(wǎng)絡中的節(jié)點有空閑的波長轉(zhuǎn)換器，則該節(jié)點向下一跳發(fā)送Path消息的LS直接更新為下一跳分支鏈路上各自的空閑波長集。

第二步，目的節(jié)點收到Path消息后，向源節(jié)點發(fā)送Notify消息。在目的節(jié)點處，將WTC設(shè)置初始值為0，將目的節(jié)點收到的LS作為第一跳鏈路的PWO。在反向傳遞Notify消息的每一跳中更新WTC和PWO的值，分兩種情況：①當網(wǎng)絡中的節(jié)點沒有配置波長轉(zhuǎn)換器或者沒有空閑的波長轉(zhuǎn)換器時，若該節(jié)點為交叉節(jié)點，則該節(jié)點向上游節(jié)點發(fā)送Notify消息的PWO更新為與之相連的下游節(jié)點到該節(jié)點的所有PWO的交集，并將WTC中相應波長轉(zhuǎn)換值更新為與之相連的下游節(jié)點到該節(jié)點的對應WTC值之和；若該節(jié)點為非交叉節(jié)點，則該節(jié)點向上游節(jié)點發(fā)送Notify消息的PWO和WTC值均不更新。②當網(wǎng)絡中的節(jié)點配置有空閑的波長轉(zhuǎn)換器時，若該節(jié)點為交叉節(jié)點，則首先將該節(jié)點向上游節(jié)點發(fā)送Notify消息的PWO更新為該節(jié)點到上游節(jié)點鏈路上的可用空閑波長集，然后按照下列原則確定工作波長：假設(shè)此時該節(jié)點配置的空閑波長轉(zhuǎn)換器個數(shù)為M，與該節(jié)點相連的下游分支鏈路有N條，更新后的PWO中某個波長λ在該節(jié)點的下游分支鏈路的L（L＜N）條不可用。如果L＞M，則將該波長從PWO中刪除；如果L≤M，則該波長保留在PWO中，可作為工作波長，并將該波長對應的WTC值更新為該節(jié)點的下游分支鏈路PWO中的波長λ對應的WTC值之和再加上L。若該節(jié)點為非交叉節(jié)點，則將該節(jié)點向上游節(jié)點發(fā)送Notify消息的PWO直接更新為該節(jié)點到上游節(jié)點鏈路上的可用空閑波長集，在更新后的PWO中，如果可用波長已經(jīng)在該節(jié)點的下游鏈路上，則該波長對應的WTC值不變；如果可用波長不在該節(jié)點的下游鏈路上，則將該波長對應的WTC值加1。

第三步，源節(jié)點接收到Notify消息后，選擇WTC最小值對應的波長作為源節(jié)點第一跳鏈路上的工作波長，將波長信息寫入第二次的Path消息的LS中，并對節(jié)點進行光交叉配置。路由中的節(jié)點收到上游節(jié)點的Path消息后，分以下兩種情況進行下一跳的波長分配，并完成相應節(jié)點的光交叉矩陣的配置：①如果下一跳的鏈路上的PWO包含了該節(jié)點上一跳分配的波長，則在下一跳鏈路上也分配該工作波長。②如果下一跳的鏈路上的PWO沒有包含該節(jié)點上一跳分配的波長，則在下一跳鏈路上選擇WTC最小值對應的PWO中的波長作為工作波長。

第四步，目的節(jié)點接收到第二次Path消息，完成光交叉矩陣的配置，并向源節(jié)點返回Resv消息；當源節(jié)點接收到Resv消息后，表示成功建立了整個光多播連接，可以進行多播業(yè)務數(shù)據(jù)的傳輸。

以圖1所示的光多播網(wǎng)絡為例，假設(shè)交叉節(jié)點B具有足夠多的空閑波長轉(zhuǎn)換器，采用本文的新信令機制進行路由和波長分配的過程如圖3所示。從圖3可以看出，采用波長2作為工作波長，可以實現(xiàn)在交叉節(jié)點B處不用波長轉(zhuǎn)換器，就能完成整個光多播連接的建立，從而減少了波長轉(zhuǎn)換器的使用次數(shù)，降低建設(shè)成本。

圖3 新信令機制下的光多播連接建立過程

3 性能仿真與分析

下面，分波長轉(zhuǎn)換器數(shù)量不限的靜態(tài)多播網(wǎng)絡和波長轉(zhuǎn)換器數(shù)量有限的動態(tài)多播網(wǎng)絡兩種情況，將RSVP-TE信令機制和本文的新信令機制從波長轉(zhuǎn)換器使用數(shù)量和光多播連接的阻塞率兩個方面進行性能對比仿真實驗。

3.1 波長轉(zhuǎn)換器數(shù)量不限的靜態(tài)多播網(wǎng)絡

搭建一個靜態(tài)多播網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。在該網(wǎng)絡中，源節(jié)點A經(jīng)過4跳鏈路向8個目的節(jié)點發(fā)送一個固定的多播連接請求，每條鏈路上分配16個可用波長，每個節(jié)點配置的波長轉(zhuǎn)換器數(shù)量不限，共進行106次多播連接實驗，研究不同網(wǎng)絡負載條件下，兩種信令機制成功建立該多播連接需要的平均波長轉(zhuǎn)換器數(shù)量，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 靜態(tài)多播網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)

從圖5可以看出，隨著網(wǎng)絡負載的增加，多播連接成功建立所需的波長轉(zhuǎn)換器數(shù)量也增加，但與RSVP-TE信令機制相比，采用本文的新信令機制建立多播連接所需的波長轉(zhuǎn)換器數(shù)量增加較為緩慢。當網(wǎng)絡負載較低時，兩種機制建立多播連接時需要的波長轉(zhuǎn)換器數(shù)量大致相同；當網(wǎng)絡負載較高時，采用本文的新信令機制成功建立多播連接所需的波長轉(zhuǎn)換器數(shù)量明顯低于采用RSVP-TE信令機制所需的波長轉(zhuǎn)換器數(shù)量，當網(wǎng)絡負載達到90 Erlang時，與RSVP-TE信令機制相比，本文的新信令機制完成多播連接所需的波長轉(zhuǎn)換器數(shù)量減少了59%，可大大降低網(wǎng)絡的建設(shè)成本。

圖5 不同網(wǎng)絡負載下波長轉(zhuǎn)換器使用情況對比

3.2 波長轉(zhuǎn)換器數(shù)量有限的動態(tài)多播網(wǎng)絡

在實際的光網(wǎng)絡中，部署的波長轉(zhuǎn)換器數(shù)量是有限的，因此研究波長轉(zhuǎn)換器數(shù)量有限條件下的多播連接建立問題有非常重要的現(xiàn)實意義。以21節(jié)點的NSFNET網(wǎng)絡[5]作為仿真網(wǎng)絡，每個節(jié)點配置4個波長轉(zhuǎn)換器，每條鏈路配置16個波長，在仿真中作如下假設(shè)：①多播連接請求服從參數(shù)為λ的泊松分布，請求服務時間服從參數(shù)為1/μ的負指數(shù)分布；②多播連接的源節(jié)點和目的節(jié)點隨機產(chǎn)生，且目的節(jié)點在區(qū)間[2,5]上服從均勻分布。多播連接的路由計算采用最短路徑樹算法[6]，共進行105次多播連接實驗，研究不同網(wǎng)絡負載條件下，兩種不同的信令機制建立多播連接時的阻塞率情況，仿真結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，隨著網(wǎng)絡負載的增加，多播連接的阻塞率增大，與RSVP-TE信令機制相比，采用本文的新信令機制建立多播連接時的阻塞率增長較為緩慢。當網(wǎng)絡負載較低時，采用本文的新信令機制建立多播連接時的阻塞率幾乎為0；當網(wǎng)絡負載較高時，在同一網(wǎng)絡負載下，采用本文的新信令機制建立多播連接時的阻塞率明顯低于RSVP-TE信令機制，當網(wǎng)絡負載達到90 Erlang時，采用本文的新信令機制建立多播連接時的阻塞率比RSVP-TE信令機制降低了54%，大大提高了多播連接的連通性能。

圖6 不同網(wǎng)絡負載下多播連接的阻塞率對比

4 結(jié)束語

本文針對RSVP-TE信令機制建立多播連接時存在波長預留沖突的問題，設(shè)計了一種基于兩次信令握手的新光多播信令機制，詳細闡述了新信令機制的兩次信令握手的過程，通過兩次信令握手完成了多播連接的波長和路由分配。與RSVP-TE信令機制相比，該新的信令機制可以有效減少網(wǎng)絡中波長轉(zhuǎn)換器的使用數(shù)量，降低多播業(yè)務連接的網(wǎng)絡阻塞率。在后續(xù)的工作中，我們將研究在分布式管理模式下，如何應用該新信令機制，以滿足用戶多樣化的多播業(yè)務連接需求。

[1]成芳.全光網(wǎng)絡多播性能研究[D].北京：北京郵電大學,2011:15-19.

[2]潘興亞,孫衛(wèi)強.RSVP-TE協(xié)議性能測試框架的研究與實現(xiàn)[J].光通信技術(shù),2014,38(1):57-59.

[3]趙繼軍,郭昆,馮楠,等.基于RSVP-TE的有向泛洪IRWA算法研究[J].光通信研究,2013(5):8-11.

[4]王舒韻.MPLS/BGP VPN組播相關(guān)協(xié)議的研究與改進[D].成都：電子科技大學,2012:13-17.

[5]徐建勇,沈建華.一種改進智能光網(wǎng)絡波長轉(zhuǎn)換器配置策略[J].光電工程,2013,40(2):137-144.

[6]李秀.最短路徑樹動態(tài)算法的研究[D].成都：電子科技大學,2011:24-38.

New optical multicast signaling mechanism and performance simulation

JIANG Chun-lei
(Auto and electronic engineering college,Xichang Institute,Xichang Sichuan 615013,China）

In order to resolve the wavelength reservation conflict problem of RSVP-TE signaling mechanism when it establishes the optical multicast connection,a new optical multicast signaling mechanism based on two signaling handclasp is put forward,and the wavelength and route allocation process of the new signaling mechanism is provided.Through the simulation experiment,the results demonstrate that under the same network load,the new optical multicast signaling mechanism can effectively reduce the usage number of wavelength conversion device in the network,and decrease the network block ratio of the optical multicast connection.

optical multicast signaling mechanism,RSVP-TE,wavelength reservation conflict,performance simulation.

TP393.1

A

1002-5561（2016）02-0016-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.02.005

2015-11-02。

四川省教育廳科研項目（14ZB0229）資助。

蔣春蕾(1979-)，女，碩士，副教授，主要研究方向為光通信網(wǎng)絡與算法等。